張冰洋 黃 霞

(中南民族大學 實驗教學與實驗室管理中心, 武漢 430074)

“模擬電子技術實驗”是電子信息、自動化、通信、生物醫(yī)學工程等專業(yè)本科生的必修實驗課[1]，是學生學習和掌握課程知識不可或缺的重要環(huán)節(jié)[2]。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，虛擬仿真技術在科研和教學中的應用越來越廣泛，很多院校開展的實驗課程都應用了該項技術[3]，相對單一的虛擬仿真實驗，虛實結合，虛擬仿真指導實物實驗的模式具有更好的教學效果。本文將TINA-TI仿真分析引入心音聽診電路實驗教學中，通過虛擬仿真運用和掌握理論知識，進而指導電路制作和調(diào)試，能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，掌握研究方法，提高學生的綜合能力。

1 TINA-TI簡介

TINA-TI是德州儀器(TI)公司與DesignSoft公司聯(lián)合為客戶提供的一個基于SPICE技術的電路仿真工具，適用于模擬電路和開關模式電源電路的仿真[4]。TINA-TI提供多達千種的元器件模型庫，并且支持宏添加器件，具有簡單、直觀的圖形界面和強大的分析能力，能夠進行直流、交流、瞬態(tài)、噪聲等分析，可用于對電路進行設計、測試和故障診斷，是進行電路開發(fā)與測試較為理想的選擇。

2 心音源的獲取

PASCAL[5]、PhysioNet[6]和深圳心音數(shù)據(jù)庫HSS(Heart Sounds Shenzhen)[7]是目前公開的三大標準化心音數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫提供了正常和異常心音信號的WAV文件和數(shù)據(jù)文件[8]。

TINA-TI提供的電壓發(fā)生器具有信號編輯的功能，除了能夠產(chǎn)生脈沖、階躍、正弦、余弦、方波、三角波、梯形波外，還具有分段線性電源和導入WAV文件的功能。我們采用TINA-TI中的電壓發(fā)生器作為心音信號接收源，導入深圳心音數(shù)據(jù)庫(HSS)中的正常心音信號，設定最大電壓為100 mV，導入后可以通過示波器觀察到心音信號的波形如圖1所示。

圖1 原始心音信號波形

3 心音傳感器仿真模型

在實物實驗中，學生采用駐極體麥克風和傳統(tǒng)聽診器聽診頭制作心音傳感器，虛擬仿真實驗中，我們構建了傳感器的仿真模型。采用駐極體麥克風的基本模型進行仿真，利用電壓控制電流源(VCCS)模擬麥克風內(nèi)部的結型場效應管(JFET)，電壓發(fā)生器(VG)產(chǎn)生的電壓信號模擬麥克風上產(chǎn)生的聲壓(1 V=1 Pa，1 V電壓對應1帕斯卡的音量)，噪聲源(In)模擬麥克風本身的噪聲，直流電壓源(VE)通過VCCS產(chǎn)生偏置電流來模擬駐極體麥克風產(chǎn)生的電流。實物實驗采用的WM-61B駐極體麥克風，其工作時的最大電流為500 mA，在每帕斯卡空氣壓力下產(chǎn)生的電流大約為8 uA，仿真模型中的直流電壓源(VE)的值通過公式(1)進行計算。

(1)

經(jīng)過計算，VE=62.5 V。麥克風自身的噪聲In通過修改TINA-TI的噪聲宏模型，修改NLFP和NVRP參數(shù)為27.7來模擬麥克風膠囊的噪聲，心音傳感器的仿真模型如圖2所示。

圖2 心音傳感器仿真模型

4 心音聽診電路實驗設計

心音信號的頻率范圍一般為5～600 Hz，幅值極其微弱，且通常伴有大量噪聲[9]。根據(jù)心音產(chǎn)生的時期和性質(zhì)，臨床上將心音分為第1心音(S1)、第2心音(S2)、第3心音(S3)和第4心音(S4)[10]，其中S1和S2包含的信息在心臟聽診中起著重要的作用，其主要頻率分布在20-200 Hz[11]。心音聽診電路的作用是從含有噪聲的心音信號中獲得清晰的心音信號，它包括心音信號前置放大電路和濾波電路。

實驗包含虛擬仿真實驗和實物實驗兩部分。實驗要求學生通過理論計算和仿真分析確定電路的設計參數(shù)；設計前置放大和濾波電路，進行仿真分析；并根據(jù)提供的實驗材料和元器件搭建聽診電路，實現(xiàn)心音信號的采集。

4.1 前置放大電路設計

心音傳感器采集的信號中不可避免夾雜包括環(huán)境噪聲、皮膚摩擦等聲音產(chǎn)生的噪聲。傳感器輸出為電流信號，為了獲取較高的信噪比，將運算放大器配置為互阻抗放大器，將麥克風的信號電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。前置放大器電路如圖3所示，放大電路增益由反饋電阻R2決定，運算放大器的噪聲增益由R2和R1的比值決定。通過調(diào)節(jié)R1、C1、R2、C2的值可調(diào)整電路的-3 dB帶寬。運算放大器同相輸入端采用分壓網(wǎng)絡對運算放大器的輸出施加偏置電壓，使輸出達到中間電源點VCC/2，從而最大程度地增加電路的電壓輸出范圍。實驗過程中，要求學生通過分析、計算和仿真確定R1、R2、R3、R4、C1、C2的值，并提供理論計算依據(jù)。

圖3 心音信號前置放大電路

4.2 心音信號濾波電路設計

S1和S2主要分布在20-200 Hz范圍內(nèi)，濾波器的設計需要有效濾除20 Hz以下，200 Hz以上的干擾信號。本文擬采用四階Sallen-Key高通濾波電路和四階貝塞爾低通濾波電路構成的帶通濾波器實現(xiàn)心音信號的通帶外噪聲抑制，濾波電路如圖4所示。

圖4 心音信號濾波電路

為了使濾波器具有最大平坦度的幅頻特性，仿真電路中，設計200 Hz低通和20 Hz高通濾波器的Q=0.707，通帶內(nèi)增益為1.586。根據(jù)常用電阻取值，選擇R5=R7=R13=R15=100 K，R6=R8=R14=R16=59 K，經(jīng)計算，整個濾波器通帶內(nèi)增益為16.1 dB。

取R1=R2=R3=R4=RL，C1=C2=C3=C4=CL，R9=R10=R11=R12=RH，C5=C6=C7=C8=CH。根據(jù)公式fL=1/(2πRLCL)=200 Hz和fH=1/(2πRHCH)=20 Hz進行計算，取RL=36 K，CL=22 nF，RH=36 K，CH=220 nF。在TINA-TI中對圖4所示電路進行交流分析，得到圖5所示濾波器的幅頻和相頻特性仿真結果。由幅頻特性曲線可知，波形平坦處增益大小約為15.96 dB，在20 Hz和200 Hz處分別衰減5.92 dB和5.75 dB，仿真結果與理論計算結果基本一致。實驗過程中，要求學生通過分析、計算和仿真確定濾波電路的結構和濾波器設計參數(shù)，提供理論計算依據(jù)和濾波器的幅頻特性仿真曲線。

圖5 心音濾波器的幅頻和相頻特性仿真結果

5 整體仿真驗證與實物實驗結果

我們利用建立的麥克風仿真模型，分別導入心音數(shù)據(jù)庫中正常的心音信號S0和環(huán)境噪聲信號S1的WAV文件，仿真電路如圖6所示。設定心音信號的幅值為100 mV，環(huán)境噪聲信號的幅值也為100 mV。仿真器模型輸出的電流，即為心音傳感器輸出電流信號S，信號S經(jīng)過圖3所示的心音信號前置放大電路和圖4所示的心音信號濾波電路能夠得到將心音干擾信號濾除并放大的心音信號。

圖6 心音信號加噪仿真模型

心音聽診電路仿真結果如圖7所示。圖7中S0為正常心音信號，S1為添加的噪聲信號，Vs為前置放大器的輸出，Vo為心音聽診電路的輸出，用鼠標選擇Vo，點擊播放按鍵，可以聽到仿真電路輸出的心音。

圖7 心音聽診電路仿真結果

仿真結果表明，實驗設計能夠利用心音傳感器采集到清晰的心音信號。在仿真實驗的指導下，我們設計制作了心音聽診電路，并進行電路參數(shù)調(diào)節(jié)與測試，完成了心音聽診電路實體的制作。為測試電路效果，首次將輸入接地，之后將自制的傳感器探頭與信號調(diào)理模塊相連，將聽診器拾音器探頭緊貼胸腔，利用示波器對心音信號輸出端進行測量，檢測到波形分別如圖8(a)和8(b)所示。

(a)心音聽診電路輸出的噪聲信號及頻譜

(b)被測者的心音信號輸出波形圖8 心音聽診電路測試結果

圖8(a)為心音聽診電路輸出的噪聲信號及頻譜，峰值為34.3 mV，圖8(b)為心音聽診電路輸出的被測者的心音信號，峰峰值為4.73 V，系統(tǒng)的信噪比為42.8 dB。由圖8(b)可以看出，實驗結果可以清晰的分辨S1和S2心音，其中S1持續(xù)時間為136 ms，S2持續(xù)時間為96 ms，其時間間隔比為1：2，心動周期為811.8 ms，心率約74次/分。

6 結語

本文提出了TINA-TI平臺上心音信號的構造方法，對心音聽診電路的前置放大、濾波電路的設計方案進行了設計和驗證。研究結果表明，本文提出的方法完整展示了心音信號采集和處理的全流程，實驗方案簡潔穩(wěn)定、信號處理效果優(yōu)異，虛擬仿真對于激發(fā)學生學習興趣和完成實物實驗具有很好的先期引導效果。